فهرست مطالب
مطالعه‌ای جدید نشان می‌دهد که نیروهای برشی داخل گدازه آتشفشان می‌توانند حباب‌ها را شکل دهند و شدت فوران‌ها را کنترل کنند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، دهه‌ها است که دانشمندان آتشفشان‌شناسی بر این باور بودند که کاهش فشار هنگام صعود گدازه به سطح، عامل اصلی فوران‌های انفجاری است. کاهش فشار باعث جدا شدن گازهای حل‌شده در عمق گدازه و تشکیل حباب می‌شود، که گدازه را سبک‌تر می‌کند و سرعت صعود آن را افزایش می‌دهد. تحت شرایط مناسب، این فرایند می‌تواند گدازه را متلاشی و انرژی عظیمی آزاد کند. هرچند، این توضیح همواره با مشاهدات واقعی همخوانی ندارد؛ برخی آتشفشان‌های دارای گدازه غنی از گاز و بالقوه انفجاری، جریان‌های آرام و کند لاوا تولید می‌کنند.
مطالعه‌ای تازه که در نشریه Science منتشر شده و توسط تیمی بین‌المللی از جمله اولیویه باخمان، آتشفشان‌شناس ETH زوریخ انجام شده است، قطعه گمشده‌ای از پازل را آشکار می‌کند؛ اصطکاک داخلی گدازه، به‌ویژه نیروهای برشی هنگام عبور گدازه از مجرای آتشفشان، می‌تواند حباب‌های گازی تولید کند و توضیح دهد که چرا برخی آتشفشان‌ها حتی زمانی که انتظار می‌رود انفجاری فوران کنند، به آرامی عمل می‌کنند.
چگونگی ایجاد حباب‌ها در گدازه آتشفشان
محققان نشان می‌دهند که حباب‌ها در گدازه صعودکننده علاوه بر تغییرات فشار، به دلیل نیروهای برشی ایجاد می‌شوند. این فرایند با هم زدن شیشه عسل مقایسه شده است: هنگام هم زدن، عسل اطراف قاشق سریع‌تر و در لبه‌ها کندتر حرکت می‌کند، جایی که اصطکاک بیشینه است. در مجرای آتشفشان، گدازه نزدیک مرکز آزادانه‌تر حرکت می‌کند، در حالی که گدازه تماس‌دار با دیواره مجرا با مقاومت مواجه می‌شود و کند عمل می‌کند. این اختلاف حرکت، گدازه مذاب را به‌طور موثری ورز می‌دهد و شرایط لازم را برای جدایی گاز و تشکیل حباب، حتی در فشار ثابت فراهم می‌آورد.
باخمان توضیح داد: «آزمایش‌های ما نشان داد که حرکت گدازه ناشی از نیروهای برشی به‌تنهایی برای ایجاد حباب گازی کافی است.» این حباب‌ها بیشتر در نزدیکی دیواره مجرا شکل می‌گیرند، جایی که برش بیشینه است. با افزایش محتوای گاز در گدازه، این مکانیزم کارآمدتر می‌شود و حباب‌های موجود اثر ایجاد و رشد حباب‌های جدید را تقویت می‌کنند.
حتما بخوانید: خطر بزرگ فوران آتشفشان هونگا تونگا برای لایه ازن
بیشتر بخوانید: علت جدیدی برای فوران های آتشفشانی کشف شد
چرا گدازه‌های انفجاری به آرامی حرکت می‌کنند؟
این کشف جدید به حل یک معمای دیرینه کمک می‌کند: برخی آتشفشان‌ها، مانند کوه سنت هلنز در ایالات متحده و کوی‌ساپو در شیلی، گاهی اوقات با وجود گدازه‌ای بسیار ویسکوز و غنی از گاز که انتظار می‌رفت به‌صورت انفجاری فوران کند، جریان‌های آهسته و آرام گدازه را آزاد کرده‌اند. مطالعه نشان می‌دهد که شکل‌گیری حباب‌های ناشی از نیروهای برشی می‌تواند اجازه دهد گازها پیش از رسیدن فشار به سطوح خطرناک، آزاد شوند. هنگامی که نیروهای برشی، حباب‌ها را در عمق مجرا ایجاد می‌کنند، این حباب‌ها می‌توانند با هم ادغام شوند و کانال‌هایی بسازند که گاز به آرامی بالا بیاید و تخلیه شود. این مسیرهای خروج گاز، فشار داخلی را کاهش می‌دهند و از شتاب ناگهانی گدازه جلوگیری می‌کنند، که باعث فوران‌های شدید می‌شود.
به عبارت دیگر، نیروهای برشی مانند یک شیر اطمینان عمل می‌کند و امکان می‌دهد گدازه آتشفشان به‌صورت کنترل‌شده و غیرمخرب به سطح برسند. به عنوان مثال، فوران کوه سنت هلنز در سال ۱۹۸۰، با وجود گدازه‌ای بسیار غنی از گاز، ابتدا به شکل جریان آهسته لاوا آغاز شد و نیروهای برشی قوی در داخل مجرا باعث ایجاد حباب‌های اضافی و تخلیه زودهنگام گاز شدند. تنها پس از وقوع رانش زمین که بخش عمده‌ای از دامنه آتشفشان را فرو ریخت و کاهش ناگهانی فشار را رقم زد، فوران به انفجار فاجعه‌آمیزی تبدیل شد، که به یکی از شناخته‌شده‌ترین رویدادهای آتشفشانی قرن بیستم تبدیل گردید. طبق یافته‌های این مطالعه، بسیاری از آتشفشان‌هایی که دارای گدازه ویسکوز هستند، به احتمال زیاد گازها را کارآمدتر از حد تصور، آزاد می‌کنند؛ این پدیده ناشی از مکانیسم‌های ایجاد حباب توسط نیروهای برشی در داخل گدازه است.
این آزمایش چگونه طراحی شد؟
تیم پژوهشی برای آشکارسازی این پدیده، آزمایشی آزمایشگاهی طراحی کرد که شرایط داخلی آتشفشان را بازسازی می‌کرد. آنها از مایعی غلیظ و شبیه گدازه، غنی از گاز دی‌اکسید کربن حل‌شده، بهره گرفتند. با تحریک حرکت این مایع و افزایش نیروهای برشی، مشاهده شد که پس از عبور برش از یک آستانه مشخص، حباب‌ها به‌طور ناگهانی شکل می‌گیرند. هرچه میزان گاز اولیه بیشتر باشد، تشکیل حباب‌های جدید راحت‌تر انجام می‌شود و حضور حباب‌های موجود رشد حباب‌های جدید را تقویت و یک حلقه بازخورد ایجاد می‌کند. این مشاهدات آزمایشگاهی سپس با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری سیستم‌های واقعی آتشفشانی تلفیق شد، که نشان داد تشکیل حباب ناشی از نیروهای برشی به‌ویژه در مناطقی که گدازه غلیظ با دیواره‌های مجرا در تماس است و اصطکاک شدیدی تجربه می‌کند، به‌شدت محتمل است.
فصل جدیدی در مطالعات گدازه‌های آتشفشانی
یافته‌های این مطالعه فصل جدیدی در مدل‌سازی آتشفشان‌ها باز می‌کند. تا پیش از این، کاهش فشار به عنوان عامل اصلی شکل‌گیری حباب‌ها و رفتار فوران‌ها در مدل‌ها غالب بود. کشف این نکته که نیروهای برشی قادر هستند بدون تغییر فشار حباب ایجاد کنند، نشان می‌دهد که مدل‌های فعلی باید بازنگری شوند تا فیزیک کامل داخل مجرای آتشفشان را در بر گیرند. بخمان بیان کرد: «برای پیش‌بینی دقیق‌تر پتانسیل خطر آتشفشان‌ها، باید مدل‌های خود را به‌روزرسانی کنیم و نیروهای برشی را در مجراها لحاظ کنیم.»
این تحقیق بین‌المللی با مشارکت ETH زوریخ، تصویری شفاف‌تر از فرایندهای داخلی آتشفشان‌های فعال ارائه می‌کند و توضیح می‌دهد که چرا فوران‌ها حتی در یک سیستم آتشفشانی می‌توانند شدت و رفتار متفاوتی داشته باشند. با نشان دادن تاثیر اصطکاک و حرکت درون گدازه بر خروج گاز، این مطالعه گامی مهم در جهت پیش‌بینی مطمئن‌تر زمان وقوع فوران‌ها و تشخیص شرایطی ارائه می‌کند که فوران رخ می‌دهد یا نمی‌دهد.
